一种基于LabVIEW的多功能机械臂末端执行器的软件架构的方案和验证
摘要
本文提出一种基于LabVIEW软件架构，用于控制离散事件系统。所提出的架构是生产者 - 消费者设计模式的变形。本方案使用多功能机械臂末端执行器的控制软件作为试验台来分析软件架构的适应性、使用限制和优点。该研究表明该架构在处理集成多种功能的控制系统的有效性。对于本文案例研究中，使用两个验证技术进行架构验证案件检查软件产品：（1）正式验证使用时间自动机和UPPAAL模型检查（2）一致性注入和故障注入的方法来决定软件测试的设置。两个验证技术确定了在编程阶段被引入到控制系统中的错误。
1 引言
本文讨论了设计和验证控制软件在LabVIEW离散事件系统的问题。本文的构思来源于航空工业的实际应用和用于多功能机械臂末端执行器的控制软件的发展。FARE（机身装配机器臂末端执行器）是巴西航空和工业技术的航空协会（ITA）之间合作项目的一部分。FARE的首要特点是作为一个有时间限制的离散事件系统。使用LabVIEW作为FARE控制系统的编程语言是航空公司的要求，因为它减少了开发时间，有与硬件设备的整合的可扩展性和易用性。LabVIEW已经广泛地图形化编程环境仪器仪表和控制应用中使用。但是，应用在
LabVIEW中离散事件控制系统的例子是不常见的。
离散事件控制系统的开发过程，通常基于诸如自动机和Petri建模技术网，应适应的图形化编程语言LabVIEW中。用于现成的解决方案模拟离散事件系统中，LabVIEW有一个状态图工具包、有限状态机和最近推出的状态图模块。因为这些解决方案为系统的限制拥有大量状态和转换，这项工作提出基于生产者 - 消费者设计模式的提案。
本文的贡献是对离散事件控制系统软件架构的建议、应用和验证。本文用机身装配机械臂末端执行器作为测试台分析软件体系结构的适用性和局限性、优点。关于该技术用于验证开发离散事件控制系统LabVIEW中的讨论也是本文的贡献。使用两个验证技术进行架构验证案件检查软件产品：（1）正式验证使用时间自动机和UPPAAL模型检查（2）一致性注入和故障注入的方法来决定软件测试的设置。两个验证技术确定了在编程阶段被引入到控制系统中的错误。
该验证方法从软件需求出发，对部分版本FARE控制软件开发。对于相应的模型时间自动机的开发和验证。在时间自动机模型检测到的错误被用于校正的软件。同样的，CoFl的测试是使用由飞机制造商指定的并且施加到端部执行器的控制软件的部分版本的要求开发的。检测到的错误被编译在总结经验教训的清单，这是用于完整版FARE控制软件的开发。完整版提交功能测试进行最终审定。
本文还有以下几章。第2章讨论相关性工作。第3章描述所提出的软件架构。第4章介绍了FARE和它的控制软件。然后，第5章介绍了对使用UPPAAL模型检测FARE软件的验证和基于CoFl模型的测试方式的应用。第6章是对本文的总结和未来工作的展望。
2 相关性工作
相关工作的审查的重点是两个主题：离散事件系统的控制和软件开发在LabVIEW中离散事件系统。本系统的执行终端没有安装向计算机回传数据的传感器,为了使仿真模型与实际机械臂同步运行, 作者通过软件编程来实现同步。
基本原理是:使控制指令(机械臂转动的角度值)同时被仿真程序和 控制程序执行,并在新指令到来时进行判断;若当前控制指令已经被仿真程序和控制程序执行完毕, 则传入新指令,否则进行等待,直到当前指令被执行完毕。
机械臂是一种可以运动的刚体，它需要一种数学方法来描述自身的运动特点，包括位移（距离）、速度、加速度等等。这种数学方法需要准确地描述机械臂的控制输入变量（关键角度）与输出变量（末端执行器）的关系。导出它的运动方程，至今，已成为标准的表示机器人和对机器人运动进行建模的方法。它以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础的。为了描述机械臂与周围物体的关系，如抓取目标等，就需要学习刚体的坐标变换。
机械臂的运动学包括正向运动学和逆向运动学。正向运动学是指通过机械臂的各个关节的角度求取末端执行器的位置的问题；逆向运动学则恰好相反，已知末端执行器的位置，求取机械臂的各个关节的
角度的问题。
航天器机械臂典型故障的数字模拟包括机械臂模型的建立和故障模式的数字模拟。机械臂模型的建立包括机械臂几何尺寸、臂管材料的选取, 转动关节的设计,由运动学规划出发和回程轨迹, 以及动力学分析等步骤,同时也为两种故障模式的数字模拟提供了分析基础。故障模式的数字模拟是以所建立的机械臂模型为对象来模拟两种主要故障模式包括对机械臂工作的影响和表现特征, 也将为后面建立健康监控系统提供重要的依据。
臂管强度破坏的数字模拟。由前面已知条件和出发段、回程段各臂管的惯量矩阵, 便可做各臂管的动力学分析和应力分析。从出发段和回程段各臂管表面应力随时间变化曲线可以看出应力主要在加速和减速时比较显著, 应力变化也比较明显, 匀速段应力几乎没有什么变化, 加速变匀速和匀速变减速时应力变化起伏很大。回程段臂管承受的应力比较大是因为回程段机械臂是负载着大质量的有效载荷运动的, 所以回程段的应力非常显著。因此, 故障诊断时应以回程段为重点, 特别是加速变匀速和匀速变减速的阶段。